利用昆虫触角电位传感器在自主机器人上进行嗅觉搜索

本实验的总体目标是从完整的昆虫标本记录电生理信号或脑电图（EEG），并利用昆虫触角作为嗅觉机器人中的生物传感器。该过程首先将昆虫固定在泡沫塑料块中；第二步是在昆虫颈部插入参考电极，并在触角尖端放置记录电极，即EAG电极。

接下来，将电极连接到具有适当信号放大和滤波功能的电生理记录板上。最后一步是将EAG装置安装到移动机器人上。最终，可通过使用与真实动物相同的传感器，获得展示向气味源进行嗅觉导航的结果。

该机器人平台为研究昆虫嗅觉被膜和嗅觉导航的假设提供了直接手段。与基于离体触角电生理记录（antenna E）的现有方法相比，我们今天所介绍的技术优势在于能够实现更长时间的稳定记录。要从完整昆虫标本记录触角电位（EAG），首先将两根银丝浸入浓漂白液中10至20分钟进行氯化处理，随后冲洗干净。

该步骤可防止电极发生极化。使用火焰抛光的毛细管制作玻璃电极，电极的火焰抛光处理可避免在氯化银丝电极操作过程中产生划痕。接下来，用二氧化碳麻醉一只雄性蛾，并将其置于泡沫塑料块中，使头部从顶部露出；用美纹纸胶带在颈部固定昆虫头部，将一根银丝（作为参考电极）插入颈部。在体视显微镜下，用细条美纹纸胶带将其中一根触角的尖端和基部固定，以实现固定。

用手术剪剪下触角远端的两到三个节段。然后使用显微操作器将玻璃电极置于触角切口末端附近。用镊子剪去玻璃毛细管的末端，使其直径略大于触角切口末端的直径。

用缓冲液填充玻璃微量移液管。然后使用显微操作器将触角的切端插入玻璃毛细管的尖端。最后，将用作记录电极的银丝插入玻璃毛细管的最宽末端，并将整个装置固定好。

将昆虫电极和显微操作器安装在固定于机器人顶部的金属板上。设计一个硬件接口，将EAG输出电压调整至适合机器人扩展板的范围，具体方法如文本方案所述。该接口简要包括一个高输入阻抗放大器、一个低通和高通滤波器，以及一个二级放大器。

接下来，将电极连接到差分EAG输入端。将记录电极连接到前置放大器的反相输入端，以获得正向脑电图信号。开发了一套定制的C++软件，用于实现图形用户界面以及信号检测和机器人控制的多种功能。

可以通过对实现快速且可靠信息素检测的神经机制进行建模来完成信号检测。在雄性昆虫中，通过模拟生物学机制，其中中枢神经元接收来自触角的输入，并以典型的兴奋-抑制放电模式响应信息素。为实现信号检测，需将神经元模型表示为微分方程，相关方程可在文本方案中找到。当出现定义为三个连续峰间间隔的兴奋脉冲时，即检测到信息素信号。

短于70毫秒的动作电位之后，跟随一个由大于或等于350毫秒的峰间间隔定义的抑制期。对信息素脉冲响应的脑电图（EEG）显示，该测量系统能够分辨高达10赫兹的信息素脉冲。为测试整个昆虫制备物随时间的稳定性，周期性地记录了对信息素刺激的触角电图（EAG）。

与离体触角相比，完整昆虫标本在工作日内表现出良好的稳定性。相反，离体触角记录的脑电图信号随时间迅速下降，仅1.5小时后信号即衰减至初始值的一半。该时间依赖性可用寿命为两小时的指数衰减来描述。

最后，测试了EAG机器人平台使用反应式搜索策略寻找气味源的能力。该搜索策略在每次检测到信息素时结合了逆风突进和螺旋式搜索。当未检测到气味源时，EAG信号保持在零附近，检测次数极少或没有检测，此时机器人执行螺旋式搜索，通常在到达目标位置之前便离开搜索区域。

相反，在存在气味源的情况下，EAG 会因检测到气味而呈现活动的爆发，其间穿插着因未检测到气味而出现的静默期。螺旋式搜寻主要发生在气味羽流的边缘，当气味丢失时，这似乎是一种重新定位羽流中心线的有效策略。观看本视频后，您应能够很好地掌握如何从固定昆虫标本记录电生理信号，以及如何将昆虫触角应用于嗅觉机器人。